电力系统储能技术——尹忠东老师(电弧炉负荷孤网运行案例)

电弧炉负荷孤网运行存在的主要问题孤网运行下的频率稳定性及抑制措施重点分析冲击性的电炉负荷对孤网系统频率的影响，分析频率波动对其他负荷运行及孤网系统的影响。

孤网运行下的继电保护、安稳控制方案二、电炉负荷特性与建模电炉负荷特性的典型曲线2.1 概况矿热电炉是RKEF工艺中的主要用电设备，具有非线性、时变、多参量等特性。

电炉负荷综合阻抗由电炉变压器、电炉短网、炉内等三部分阻抗组成。

电炉变压器一次侧功率不稳定，且存在三相负荷不平衡、缺相、短路等现象。

操作人员可通过升降电炉电极、调整档位来升降负荷。

电炉工况（正常负荷为66MW）典型电弧炉电压、电流曲线电压曲线电流曲线2.2 电弧炉模型仿真在PSCAD/EMTDC环境下搭建电弧炉电气系统仿真模型，以验证上述模型的有效性。

仿真结果ⅠA相电弧电压的随机变化曲线A相电弧电流的随机变化曲线仿真结果ⅡA相电弧电阻的随机变化曲线电弧炉负荷变化曲线仿真结果分析由仿真结果可见，电弧电压波形是不对称的，波形接近方波，其电压峰值随机变化，即存在电压波动现象；电流波形接近正弦波。

将仿真得到的电炉负荷变化曲线与实际电炉负荷特性的典型曲线比较，两者非常相似，可以利用所建模型进行分析研究。

三、孤网系统建模与暂态稳定性仿真分析孤网暂态稳定分析基于PSASP软件，搭建的系统模型如图3-1（a）所示。

4台60MW的发电机接6.3/35kV升压变压器经两回35kV的输电线路连接负荷。

图3-1孤岛系统PSASP模型3.1 电炉冲击负荷对系统暂态稳定影响的仿真分析1、工况一①只有一台电弧炉负荷在10s时刻增加15%，即增加10MW，此时频率响应如图3-2所示。

图3-2 （b）一台电弧炉增加15%冲击负荷时的频率响应图3-2（a）冲击负荷设置时序一台电弧炉突加15%冲击负荷时，频率降低0.5Hz。

3.1 电炉冲击负荷对系统暂态稳定影响的仿真分析②两台电弧炉，每台均增加15%冲击负荷，即10s时刻共增加20MW冲击负荷，此时的频率响应如图3-3所示。

图3-3(b) 两台电弧炉，每台均增加15%时的频率响应图3-3(a) 冲击负荷设置此工况下，系统频率降低了约0.8Hz，然后在自身调速器调节下逐渐恢复稳定。

3.1 电炉冲击负荷对系统暂态稳定影响的仿真分析2、工况二①单台电弧炉功率在10s时刻增加15%，即增加10MW，后在15s时刻10MW切除，此时的频率响应如图3-4所示。

图3-4(b) 单台电弧炉功率增加图3-4(a) 冲击负荷设置15%时的频率响应此工况下，系统频率降低了约0.5Hz，后在15s时由于又有冲击性切10WM负荷，故在15s时有频率突变，增加到约50.5Hz，后逐渐恢复稳定。

3.1 电炉冲击负荷对系统暂态稳定影响的仿真分析②两台电弧炉，每台在10s时均增加15%，即增加20MW，后在15s将20MW切除，此时的频率响应如图3-5所示。

图3-5 (b) 两台电弧炉，每台均增图3-5(a) 冲击负荷设置加15%，后又切除时的频率响应此种工况下频率向下波动了约1Hz，后在自身调节下恢复稳定。

3.1 电炉冲击负荷对系统暂态稳定影响的仿真分析3、工况三①单台电弧炉在10s时减小15%，即减小10MW，此时的频率响应如图3-6所示。

图3-6(b) 单台电弧炉功率减小15%时的频率响应图3-6(a) 冲击负荷设置单台电弧炉减小15%的冲击性负荷，频率增加了约0.5Hz，后在自身调节下趋于稳定。

3.1 电炉冲击负荷对系统暂态稳定影响的仿真分析②两台电弧炉均减小15%，即在10s时减小20MW，此时的频率响应如图3-7所示。

图3-7(b) 两台电弧炉每台功率同时减图3-7(a) 冲击负荷设置小15%频率响应两台电弧炉均减小15%，此时系统频率增加了约1Hz，后在自身调节下趋于稳定。

3.1 电炉冲击负荷对系统暂态稳定影响的仿真分析4、工况四①单台电弧炉减小15%，后又恢复，即在10s时减小10MW，15s时又恢复，此时的频率响应如图3-8所示。

图3-8 (b)单台电弧炉功率减小15%，后又恢复时的频率响应图3-8(a) 冲击负荷设置此种工况下，系统在10s和15s时均承受了冲击负荷，频率幅值波动了约0.5Hz，后在自身调节下趋于稳定。

3.1 电炉冲击负荷对系统暂态稳定影响的仿真分析②两台电弧炉均减小15%，后又恢复，即在10s时减小20MW，15s时又恢复，此时的频率响应如图3-9所示。

图3-9(b) 两台电弧炉功率同时均减小图3-9(a) 冲击负荷设置15%，后又恢复时的频率响应两台电弧炉同时发生了15%的减负荷波动，此时频率波动约1Hz。

3.1 电炉冲击负荷对系统暂态稳定影响的仿真分析5、工况五①一台电弧炉减小15%，后增加到115%，后减小到85%，如此连续3个冲击，此时的频率响应如图3-10所示。

图3-10(b) 单台电弧炉连续3个冲击时图3-10(a) 冲击负荷设置频率响应此工况下，频率向下波动超过了0.5Hz。

3.1 电炉冲击负荷对系统暂态稳定影响的仿真分析图3-10（c）单台电弧炉连续3个冲击时频率和发电机机械功率暂态情况在频率波动的同时，发电机机械功率也周期性受迫振动，这对汽轮机的轴系安全会产生影响。

3.1 电炉冲击负荷对系统暂态稳定影响的仿真分析②两台电弧炉同时均减小15%，后均增加到115%，后均减小到85%，如此连续3个冲击，此时的频率响应如图3-11所示。

图3-11(b) 两台电弧炉连续3个冲击图3-11(a) 冲击负荷设置时频率响应此工况下，频率向下波动超过了1Hz。

3.1 电炉冲击负荷对系统暂态稳定影响的仿真分析图3-11（c）两台电弧炉连续3个冲击时频率和机械功率暂态情况在频率波动的同时，发电机机械功率也周期性受迫振动，这对汽轮机的轴系安全会产生影响。

3.2突增、减负荷及发电机时的频率稳定性1、工况一开始时两台电弧炉正常运行，2秒时刻切一台电弧炉，系统频率变化情况如图3-12所示。

图3-12 在2秒的时候切一台电弧炉时频率变化情况开始时两台66MW电弧炉同时工作，4台发电机同时出力，平均每台发电机出力4.3MW，2s 时切1台电弧炉后，发电机发出的功率剩余，使得系统频率升高，后在发电机调速器的调整下系统趋于稳定，稳定频率约为50.5Hz。

频率波动持续时间大于10s ，最高频率52.6Hz，最低频率48.25Hz。

3.2突增、减负荷及发电机时的频率稳定性3、工况二1回35kV输电线路于2s时刻发生三相短路故障，故障持续时间为0.1s，系统频率的变化情况如图3-14所示。

图3-14 35kV输电线路三相故障时频率变化情况由图3-14可知，故障后系统频率快速升高，故障切除后在5s 内趋于稳定，最后稳定于50Hz。

图3-15(a) 35kV输电线路三相故障时频率变化情况（故障时间2s~2.57s）图3-15(b) 35kV输电线路三相故障时频率变化情况(故障时间2s~2.58s)图3-15(c) 35kV输电线路三相故障时频率变化情况(故障时间2s~2.59s)由3-15(a)、(b)和(c)可知0.58s是临界切除时间，即系统的cct为0.58s。

4、工况三1回35kV输电线路在2s时刻发生两相短路故障，0.1s后故障切除，系统频率的变化情况如图3-16所示。

图3-16 35kV输电线路两相故障时频率变化情况由图3-5可见，此时频率先增大，最高可达50.5Hz，后趋于稳定，最后稳定于50Hz。

3.2突增、减负荷及发电机时的频率稳定性5、工况四一台电弧炉工作，切除1台发电机时，系统频率变化情况如图3-17所示。

图3-17 一台电弧炉工作，切除1台发电机时频率变化情况孤网系统4台发电机和一台电弧炉均投入运行，每台发电机出力为25MW，如果在2s时切除一台发电机，孤网系统会出现频率先降低后趋于49.5Hz。

3.2突增、减负荷及发电机时的频率稳定性孤网运行的有功平衡方案由于交流电弧炉工作状态极不稳定，功率波动较快。

当电网孤岛运行时，传统的切机、切负荷方案不能完全满足系统稳控要求，需要考虑增加稳控设备。

串联电抗器、飞轮储能系统、电池储能系统、SPLC（Smart Predictive Line Controller）平衡电阻控制系统。

4.6 SPLCSPLC在由单相供电的两电极电弧炉中的简化模型如图4-6所示。

通过控制SPLC的触发角可以实现对线路电抗的动态控制。

与晶闸管串联的电抗为开断过程中产生的过大的di/dt提供保护，与晶闸管并联的电抗有限制短路电流的作用。

图4-6 SPLC的工作原理图SPLC建模建立了基于PSCAD软件的SPLC仿真模型，并对SPLC投入前后的效果进行了仿真研究。

仿真时间为120s，Pset=55MW。

SPLC投入前后电弧炉功率变化如图4-9所示，40s时投入SPLC，80s时SPLC退出运行。

图4-9 SPLC投入前后电弧炉功率对比SPLC投入前后电源侧输出侧的功率波形，可以发现在投入SPLC之前，功率波动较大，投入SPLC后，功率波动得到明显改善，基本稳定在设定的范围内波动。

然而，SPLC基于可变串联电抗的原理来平抑线路上的功率波动，却难以应对电炉电极烧断、塌料或系统故障条件下的频率稳定问题。

图4-10 平衡电阻主电路仿真模型4.7.2 仿真结果系统运行至1s时，电弧炉退出运行（电极烧断），2s时重新投入；运行至4s时，电弧炉发生短路（塌料）扰动。

图4-11 电弧炉侧功率波形与电源侧功率波形。